抬头显示技术在轨道交通领域应用的可行性分析

盘 宇，刘 辉，刘海军

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

显示器作为主要的人机交互手段，已被广泛用于轨道交通车辆司机室当中。以HXD系列机车为例，司机室中主要有列车运行监控记录装置(LKJ)显示器、列车控制与管理系统(train control and management system, TCMS)显示器、机车综合无线通信设备(cab integrated radio communication equipment,CIR)显示器等，其均被布置在操纵台前方。司机通过这些显示器了解机车设备状态和运行安全相关信息等。有研究表明，在整个机车驾驶作业过程中，列车司机90%以上的注视时间都用于对前方线路情况及机车信号等视觉刺激源的观察上[1]。而为了获取显示器上的信息，司机需频繁低头或者转移视线，这样会造成司机接收机车前方路况信息的不连续性，从而导致忽略掉某些重要信息。整个驾驶过程中，司机视线焦点不断移动，不仅会分散司机的注意力，而且极易增加司机的疲劳感，降低司机反应速度，这将对列车的安全驾驶造成隐患。因此，对司机室的信息显示方式作出改进是非常必要的。抬头显示(headup display, HUD)作为一种安全、高效的驾驶辅助系统已被广泛应用于航空及汽车领域。HUD上可呈现驾驶过程中常用的信息，减少用户视线在路面与仪表盘之间的转换时间，使用户将注意力更多地集中在路面信息上，以提高驾驶的安全性[2]。国外已有学者对HUD在轨道交通领域应用的可行性进行了相关研究。文献[3]确定了HUD作为一种技术在机车驾驶室中应用的可能；文献[4]基于数字光处理投影显示技术，通过实验验证了HUD在轨道交通领域应用的可行性；但国内相关研究的较少。

1 HUD系统类型

HUD系统按照成像方式可以分为3种类型，分别是直接反射式、挡风玻璃集成式及间接集成式。这三者的应用目的相同，成像显示原理类似，但细节有所不同[5]。

直接反射式(entry HUD)系统是最简单的HUD系统，通常将段码式显示屏产生的反向图像，经挡风玻璃上的显示膜一次反射后到达人眼。人眼看到的是正向的虚像。这种直接反射式HUD系统开发成本低，安装简单；但由于只经过挡风玻璃一次发射成像，没有精密的光路设计，因此显示的虚像清晰度较差，视距较短，长时间使用会加重驾驶员的眼部疲劳感，造成额外的视觉负担。

挡风玻璃集成式(windows-shield HUD)系统是将图像源通过投射光源投射在显示器中，显示器上的图像经一次反射后到达反射器上，再经过二次反射投射至挡风玻璃上，最后经过挡风玻璃的第三次反射射入人眼，此时驾驶人员可以透过挡风玻璃观察到前方虚像信息。挡风玻璃集成式HUD系统依靠精密的光路结构，不仅可以获得较好的显示效果，而且能够有效缩短视线移动以及焦点调节的时间。这样增加了驾驶舒适度，提高了行车安全性。但由于需要高折射率的挡风玻璃来增加表面反射率，对挡风玻璃制造工艺要求非常苛刻；其次，还需要调整挡风玻璃倾角以满足成像要求，以避免在挡风玻璃上出现重影的现象，因此这对于整车制造要求是比较高的。

间接集成式(combiner HUD)系统是通过一块经过光学设计的透明玻璃板作为组合器来替代挡风玻璃，通过两次反射的方式，将信息的虚像显示在前方。由于使用组合器能够显著降低系统对于挡风玻璃安装角度的高精度要求，不仅降低了系统开发难度，提高了整车制造的柔性，而且开发成本低。但这种显示系统受组合器尺寸的影响，无法实现大面积的显示。

由于挡风玻璃集成式HUD系统对玻璃本身和安装倾角有较高的要求，需要在轨道交通车辆设计之初进行考虑，因此仅适用于新造车。间接集成式HUD系统由于自带组合器对安装车辆要求较低，其显示效果也能得到保证，因此适用于既有车辆的改造升级。直接反射式HUD系统显示效果相对较差，在轨道交通领域可以不做考虑。

2 HUD系统在轨道交通应用的可行性分析

目前，HUD系统还未被应用在列车司机室内，司机仍需要频繁转移视线才能观察到安装在操作台上的各个显示设备的信息。以高速动车组为例，在其正线运行过程中，有发车、高速运行、过分相和站内停车4项主要工作任务。根据现场采集4名沈阳—大连运行区段的标准动车组司机的眼睛转动数据，可得出在每项任务执行过程中司机对各区域的具体关注比例，具体如表1所示[6]。

表1 各任务阶段的注视点分布统计表Tab. 1 Statistics of fixation points in each task phase

由表1可知，在整个动车组正线行驶过程中，司机的视线是在不断转移的。在不同的任务阶段，司机重点关注的对象也会发生变化，为了获取显示设备上的必要信息，司机需将视线焦点在不同设备上来回移动。这样，在整个行车过程，司机的视线一直在转移，分散了司机的注意力，易形成安全隐患。特别是单司机值乘的动车组，在恶劣天气条件、需要加强瞭望的情况下，这种安全隐患更为突出。此外，有研究表明，高速列车在行车过程中，司机的视野会随着速度的增加而逐渐缩小并集中，产生一种视觉隧道现象[7]。这也会使司机忽略一些未处于视觉中心的重要信息，造成安全隐患。因此使用HUD系统，通过将必要的信息与文字符号相结合的方式在司机前方可观察区域显示，避免司机视线频繁转移，能让司机视野更加集中，减少注意力的分散，使行车安全得到更多保障。

轨道交通车辆司机室与汽车驾驶区类似，驾驶员位置均处于车辆的左方且前方均有较大的可观察区域，在进行视觉作业域检验时，司机仅眼睛转动的有效视野范围水平方向为左右15°，垂直方向为上下15°[8]。现有第二代HUD视场角约为10°，投影距离约为3 m，显示尺寸15～20 inch (l inch=2.54 cm)；第三代HUD视场角大于50°，可实现全车窗信息显示[9]。因此使用HUD进行信息显示完全符合轨道交通使用要求。另外，轨道交通车辆司机室与汽车驾驶区在外部光照、内部照明等因素影响HUD显示效果的方面均大同小异，因此在汽车领域已成熟运用的HUD系统可以适应轨道交通领域的应用。

3 HUD系统在轨道交通应用的安全性分析

HUD系统作为司机驾驶依据的重要信息来源，可将司机重点关注的列控信息、机车信息和调度信息直观地显示在司机前方。HUD系统要保证信息显示的安全性，需要对HUD系统隐患即设备显示错乱和错误显示当前行车信息进行识别。

设备显示错乱产生的后果主要是易导致列车在运行途中停滞而影响正常的行车计划。在HUD系统设计时，应采取如下措施以避免显示错乱的发生或减轻显示错乱造成的影响：采取适当的符合铁路电磁兼容性要求的技术措施；遵照标准IEC 62279 《轨道交通 通信、信号和处理系统 控制和防护系统软件》执行软件开发，提升软件质量；采用冗余设计、提升元器件等级、加强防护等手段提高硬件设备的可靠性。

错误显示当前行车信息产生的后果为，显示内容非当前实际行车真实信息从而误导司机行车操作，可能造成列车超速、冒进信号，从而引发安全事故。其减轻错误影响的措施为使用安全通信协议保证显示信息的正确性和实时性；遵照标准IEC 62279执行软件开发，提升软件质量等。

考虑到HUD系统在轨道交通车辆司机室内并非作为唯一的信息显示终端，其他既有显示设备均能完整地显示司机驾驶所需信息。关闭HUD系统信息显示功能不会影响列车的正常运行，因此将HUD系统在发生故障时的导向安全侧措施设置为“关闭HUD系统信息显示功能”。

综上所述，使用HUD系统识别出的安全隐患均有对应的减轻措施，可降低其发生危害的频率，并且导向安全侧措施不会影响列车的正常运行。因此HUD系统在轨道交通中的应用安全性是可以得到保证的。

4 HUD系统的显示信息组织分析

轨道交通车辆司机室内显示信息主要可以分为3类：运行控制类、设备状态类和通信调度类。运行控制类信息主要是指和列车安全运行相关的控制信息，例如列车当前速度、列车限制速度、列车当前位置、限速点目标距离及机车信号等。设备状态类信息主要是提示车辆设备状态，如牵引信息和制动信息等。通信调度类信息主要指和行车调度有关的信息，如运行线路信息和调度通信状态等。

根据表1可知，同一类显示信息在不同的工作任务阶段受到的关注度会有所变化；在不同工作任务阶段，首要关注的显示信息也不尽相同。因此，需要根据工作任务的不同对HUD显示的内容与形式进行逐一分析。

4.1 发车任务显示信息组织

在列车发车过程中，司机首先需要确认列车行车参数是否正常，然后进行列车制动试验、牵引试验、呼唤应答、确认车门关闭及开车等操作。此时需要司机重点关注的显示信息如下：

（1）机车信号；

（2）机车速度，严格按照目标速度控制车速；

（3）前方线路情况，特别是道岔正/反向开通情况；

（4）各仪表显示数据，确认列车管压力、总风缸压力、网压及网流值处于正常范围之内。

在此任务中，机车信号、机车速度、当前限制速度等运行控制类信息需要被时刻了解且醒目地显示，因此适合安排至人眼关注度较高的屏幕左侧靠上部位置进行布置。因发车经过岔区时，线路复杂且需人工确认道岔开通情况，司机室前挡玻璃中间需要预留大块空间供司机观察路况。目标速度、目标距离、股道号一般不会有重大突变，可安排至关注点较少的屏幕中间偏下位置进行布置。目标距离采用柱形显示方式，不仅减少了数字频繁跳动带来的干扰，还能准确地判断出变化规律。设备状态类信息均为数值，不需要被频繁了解，可布置在屏幕底部位置。发车任务显示信息组织示意如图1所示。

图1 发车任务显示信息Fig. 1 Display information of task as train departing

4.2 高速行驶任务显示信息组织

在列车高速行驶阶段，司机主要任务是控制车速并观察前方路况，注意机车信号变化情况及各仪表数值是否正常。当需要进行车机联控时，司机接收前方车站发出的进路信息并反馈；当有故障发生时，司机可及时处理故障信息。此时需要司机重点关注的显示信息如下：

（1）机车速度，严格按照目标速度控制车速；

（2）线路情况，提防人员/物体侵入，鸣笛警示；

（3）机车信号；

（4）各仪表显示数据，确认列车管压力、总风缸压力、网压及网流值处于正常范围之内；

（5）CIR显示器提示信息；

（6）故障提示信息。

在此任务中，运行控制类信息依然是需要重点关注的，应醒目显示。由于与发车任务关注程度一样，显示位置和形式需要与发车任务场景保持一致。随着行车速度的提高，司机的视野也会往屏幕中间集中，可根据需要显示更多的信息，预留司机观察路况的区域可适当减小。由于通信调度类信息和故障信息显示时间较短且需要及时响应，其可以临时显示在屏幕中间区域；建议对其采用闪烁的形式显示以加强人的关注度。高速行驶任务显示信息组织示意如图2所示。

图2 高速行驶任务显示信息Fig. 2 Display information of task as train driving with high speed

4.3 过分相任务显示信息组织

在列车(电力牵引)运行过程中会经过多个分相区，司机接收到分相区接近的信息后，首先需判断当前车速是否满足通过分相区要求。进入分相区前，司机要操作手柄至零位，断开主断路器或降下受电弓，同时注意网压及网流变化情况。通过分相区后，司机要操作并确认主断路器闭合或受电弓升起，同时确认网压、网流恢复正常。此时需要司机重点关注的显示信息如下：

（1）机车速度，严格按照目标速度控制车速，确保列车通过分相区；

（2）线路情况，及时进行主断路器/受电弓相关操作；

（3）主断路器/受电弓状态，网压、网流变化情况及手柄工况。

列车过分相前，司机需重点关注列车在无牵引力的情况下速度是否足够通过分相区，避免列车停在分相区内而引发救援。保证速度足够高的同时也不能超速，因此运行控制类信息依然需要重点关注。由于过分相操作时机与列车经过的地点有关，就需要有足够的区域观察路况，屏幕中间预留区域不能太小。该任务与车辆设备状态类信息强相关，因此需要提高显示的优先级，根据受电弓安装位置的特点，可将受电弓状态、主断路器状态在显示器界面上方显示。为使司机迅速发现网压、网流的下降与上升情况，网压、网流信息可用柱状形态布局在界面右侧。过分相任务显示信息组织示意如图3所示。

图3 过分相任务显示信息Fig. 3 Display information of task as train passing neutral section

4.4 站内停车任务显示信息组织

列车站内停车时，司机需要控制列车速度，将列车停靠在指定股道和指定位置。此时需要司机重点关注的显示信息如下：

（1）机车速度，严格按照目标速度控制车速；

（2）线路情况，核对停靠股道，停靠位置；

（3）机车目标距离，注意机车信号变化；

（4）列车管压力及制动缸压力变化情况。

站内停车与发车类似，除运行控制类信息醒目显示、保留大块显示空间供司机观察路况外，因涉及司机减压制动操作，压力信息也要重点显示，其以柱状形态被布局在显示界面右侧。站内停车任务显示信息组织示意如图4所示。

图4 站内停车任务显示信息Fig. 4 Display information of task as train parking in the station

5 结语

本文介绍了HUD系统的主要类型，并结合现有机车的实际情况，提出了适合轨道交通应用的HUD系统类型。根据在不同工作任务中司机对各种信息的关注度数据，对适合HUD系统的信息组织方式进行了初步分析。未来，轨道交通人机交互系统可将HUD技术、AR技术、智能语音识别技术及手势操作技术相结合，帮助司机更快、更准确、更方便地处理列车行驶中各种工作任务，实现真正的智能化。